Pluggen / Plugging

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Begriffserklärung

Unter dem Pluggingverfahren, auch mit „Pluggen“ bezeichnet, versteht man das Verfüllen von Vias (Durchkontaktierungen) mit Lacken oder speziellen Füllpasten.

Verfahren

Bei dem Füllen von Vias / Durchkontaktierungen wird je nach Notwendigkeit für die späteren Fertigungsprozesse und nach qualitätsbedingten Anwendungen der Baugruppe im Endzustand nach zwei Fertigungsverfahren unterschieden.

Verfüllen von Durchkontaktierungen (Via Hole Filling)

Dieses Verfahren ist bereits seit den 90zigern Jahren des 20.Jahrhunderts bekannt und wurde und wird noch heute bei doppelseitigen Leiterplatten angewendet. Durch im Siebdruck aufgebrachte entsprechende Via Hole Filler (Lacke oder Füllpasten)können Durchkontaktierungen geschlossen werden. Eine vollständige Verfüllung ist in diesem Falle nicht notwendig, da eine planare Abdeckung nicht benötigt wird. Ein Aufbau einer weiteren sequentiellen Lage, wie bei der Herstellung von Multilayerleiterplatten notwendig, ist für Standardleiterplatten nicht gegeben. Wichtig ist jedoch die Sauberkeit der Durchkontaktierung vor dem Verfüllen, um bei thermischen Belastungen Probleme im weiteren Fertigungsprozess zu vermeiden. Zweck der Abdeckung ist die Vermeidung des Zinndurchstieges während des Lötvorganges, oder bei Prüfungen im ICT-Test die Schaffung der Vakuumdichtigkeit.

Komplettes Verschließen von Vias (Via Hole Plugging)

Getrieben durch die Innovationsfreudigkeit der Bauelementeindustrie und der damit verbundene Miniaturisierung der Bauelemente zwingen zur HDI-Technologie der Leiterplatte. Um deren Anforderungen, wie Reduzierung der Leiterbahnbreite und des Leiterbahnabstandes, Verkleinerung des Paddurchmesser, Erhöhung der Lagenzahl, zu genügen, mussten neue Wege gefunden werden. Ein Mittel um die Komplexität der Leiterplatte und deren Sicherheit im Produktionsprozess zu erhöhen ist das komplette „Verschließen“ der Vias. Bei diesem Verfahren werden die Vias (Buried Via / Blind Via) komplett gefüllt und gedeckelt und danach durch Planschleifen für eine weitere Verkupferung vorbereitet. Für dieses Verfahren hat sich der Begriff Plugging (engl. verschließen) etabliert.

Voraussetzung für einen guten Plugging-Prozess ist die Verwendung einer geeigneten Pluggig-Paste die nachfolgende Anforderungen erfüllen sollte

  • die Haftung an der CU-Hülse muß einwandfrei ist
  • die Verfüllmasse muß lösungsmittelfrei sein
  • eine möglichst hohe Glasübergangstemperatur ( Tg>140Grad Celsius)
  • ein CTE-Wert von <50ppm ( unterhalb Tg)
  • während der anschließenden Prozessgänge darf keine Schrumpfung eintreten.
  • eine gute Haftung des Kupfers auf der gebürsteten Oberfläche
  • eine lange Lagerung bei Raumtemperatur.

Beim Verfüllen der Vias ist darauf zu achten, dass

  • keine Feuchtigkeit und keine Rückstände aus dem vorangegangenen Fertigungsprozess und vorhanden sind,
  • Vias blasenfrei verfüllt werden.

In beiden Fällen können Einschlüsse bei einer nachfolgenden thermischen Belastung zu Rissbildungen und Delaminierungen führen. Die kritischen Bereiche sind die Flächen zwischen der Paste und der Kupferhülse, sowie zwischen der Aufmetallisierung und der abgeschliffenen Pastenoberfläche. Hier muss eine gute Haftung vorhanden sein, um bei den Thermischen Prozesse Schwierigkeiten zu vermeiden.

Für das Einbringen der Paste stellen sich nachfolgende Verfahren anwendbar.

Der Sieb-/Schablonedruck

Für dieses Verfahren sind zwei Schablonen notwendig. Eine dünne Schablone auf der Leiterplatte mit Bohrungen, die etwas größer sind als die zu verschließenden Vias. Und eine dicke Schablone unterhalb der Leiterplatte mit großen Bohrungen um die durchgedrückte Paste aufzunehmen. Mit einer Rakel wird die Paste in die Vias gedrückt. Die Vorteile dieses Verfahrens

  • ein bekanntes Verfahren
  • es wird kein besonderes Equipment benötigt
  • ein selektives Pluggen ist möglich.

Dem stehen folgende Nachteile gegenüber

  • für jedes Layout sind spezifische Schablonen notwendig
  • unterschiedliche Bohrdurchmesser können Probleme bereiten
  • Begrenzung durch das Aspect-Ratio

In der heutigen Verfahrenstechnik findet der Sieb-/Schablonendruck nur noch sehr wenig Anwendung. In einer Abwandlung dieses Verfahrens wird mit einem geschlossenen Behälter unter Druck die Paste durch die Schablone gedrückt. Hierbei ist das Aspect-Ratio etwas größer und unterschiedliche Bohrungen können problemloser gefüllt werden.

Das Roller-Coater-Verfahren

In diesem Verfahren wird durch eine Walze die Paste von unten durch die Vias der Leiterplatte gedrückt. Die Plugging-Paste wird in einem Behälter unterhalb der Leiterplatte auf eine Walze aufgetragen. Die Reste der Paste werden abschließend durch zwei Rakeln abgestreift. Die Vorteile dieses Verfahrens

  • schnelles und gutes Verfüllen der Vias
  • es sind keine Schablonen notwendig
  • gegenüber dem Schablonendruck ein höheres Aspect-Ratio.

Die Nachteile sind

  • kein selektives Pluggen möglich. Diese Bohrungen müssten vorher abgeklebt werden.
  • strukturierte Leiterplatten können nicht verarbeitet werden.
  • Die große Aufnahmemenge der Paste im Behälter. Durch die eingeschränkte Haltbarkeit der Paste ist ein regelmäßiger Austausch notwendig.

Vakuumplugging

Dieses neuere Verfahren bietet eine flexible Einsatzmöglichkeit, ähnlich einer Selektiv-Lötanlage. Die Maschine arbeitet mit zwei abgedichteten Köpfen, die über und unter der Leiterplatte positioniert werden können. Dabei drückt der eine Kopf die Paste in die Vias während der andere Kopf auf der Gegenseite durch einen Unterdruck das Durchdrücken der Paste positiv beeinflusst. Hierbei ist das Aspect-Ratio etwas größer und unterschiedliche Bohrungen können problemlos gefüllt werden. Das Verfüllen unter einer möglichen Vakuumatmosphäre gewährleistet Verbesserung der Ergebnisse.

Planarisieren

Zum Planarisieren der gepluggten Leiterplatten haben sich verschiedene Verfahren herausgebildet. Allen ist gemeinsam, daß die Probleme

  • gleichmäßiger Abtrag auf der Leiterplatte, um das Entfernen der Kupferschicht an den Enden der Leiterplatte und an den Kanten der Hülsen zu vermeiden,
  • Entfernung der Reste der Plugging-Paste,

gelöst sein müssen.

Diskussion im FED-Forum

In regelmäßigen Abständen wird im Forum immer wieder das Problem „Pluggen“ aufgeworfen. In den meisten Fällen werden aber darunter die Probleme bei einer Abdeckung der Durchkontaktierung mit Lötstopplack angesprochen. Diesbezügliche geführte Diskussionen können im E-Mail-Archiv des Forums, mit Suchbegriffen wie „Pluggen“ oder „Plugging“, nachgelesen werden. Nachfolgend eine Zusammenfassung:

  • Die Abdeckung wird zur Vermeidung von Zinnabflüssen und von Kurzschlüssen durch durchsteigendes Zinn vorgenommen. Bei der Prüfung der Baugruppe mit ICT wird die Vakuumdichtigkeit gewährleistet.
  • Als maximale Durchmesser der Durchkontaktierungen bei der Verwendung von Lacken werden =< 0,3mm Durchmesser empfohlen. Bei größeren Durchmessern besteht die Gefahr des Einrisses der Abdeckung. Siehe hierzu auch Artikel Viadruck.
  • Abgedeckte Vias stellen ein Prozessrisiko dar. Durch Verschleppung von chemischen Rückständen kann eine Korrosion in der Hülse entstehen. Eingeschlossenen Feuchtigkeit und chemische Rückstände können zur Blasenbildung führen, die Abdeckung platzt auf und die verwendeten Flussmittel im Lötprozess können die Hülsenwand angreifen.
  • Durch den Totalverschluss kann in der Hülse ein Rest nicht ausgehärteter Lack verbleiben, der im weiteren thermischen Prozess verkohlen kann.
  • Für Abhilfe die aufgezeigten Probleme ist in allen Fällen ein ordnungsgemäßer Pluggingprozess notwendig.
  • Stellungnahme eines Leiterplattenherstellers. Eine Abdeckung mit fotostrukturierten Lacken ist mit ausreichender Sicherheit von allen namhaften Leiterplattenherstellern zu fertigen. Trotzdem kann dieses Verfahren ein Risiko beinhalten. Durch Verschließen entsteht in der Hülse ein Lackpropfen mit einem unklaren Vernetzungsverhältnis, da die Entwickelbarkeit nicht gewährleistet ist. In den weiteren Herstellungsprozessen der Baugruppe kann es zu Problemen kommen.
  • Ein Pluggen von Mikrosacklöchern, 0,1mm Durchmesser bei 0,1mm Bohrtiefe, ist in vielen Fällen nicht notwendig. Das Sackloch wird durch die Aufkupferung fast geschlossen. Es verbleibt eine kleine Mulde die im Bestückungsprozess sehr oft vernachlässigt werden kann. Hierzu ist ergänzend festzustellen, dass es mit modernen Fertigungsverfahren möglich ist, die Microvias komplett mit Kupfer zu verschließen. Damit ist die Möglichkeit gegeben, die Entflechtung von CSP's mit kleinstmöglichen Leiterbahnbreiten durchzuführen. Ein Fachbeitrag ist hier zu finden.

Quellen und Links

Allgemein

Pluggingverfahren

Namhafte Hersteller von PLugging-Pasten

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